如何消除超短超强激光装置中的色差影响

近日,中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室朱健强、谢兴龙领导的SGII 5PW团队在《激光与光电子学进展》发表题为“超短超强激光系统中消色差技术的研究与进展”的综述文章。 文中,作者回顾了国内外用于超短超强激光装置中消除色差影响的主要技术方向与研究进展,并介绍近期该课题组提出并已成功应用于SGII 5PW工程装置中的动态精确补偿系统色差的解决方案。


封面文章|康俊,崔自若,朱坪,高奇,郭爱林,朱海东,杨庆伟,孙美智,谢兴龙,朱健强. 超短超强激光装置中消色差技术的研究与进展[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(9): 090001正文

研究背景

1998年,美国NOVA装置首次输出峰值功率1.5PW(440fs)的超短超强激光脉冲,其靶点功率密度达到了6×1020W/cm2,标志着超短超强激光成为惯性约束核聚变ICF)研究中新的重要驱动方式,平台工作模式也逐渐向ns+ps+fs的组合方向演进。

围绕ICF平台建设,国内外多个研究机构都在建或已建PW乃至100PW的装置,如ELI-beams 10 PW、Apollon 10 PW、Vulcan 10 PW、Pearl 10 PW以及上海SGII PW(ps)SGII 5PW(fs)和绵阳的 CPEP5 PW装置等等,终端焦斑功率密度可达到1021-23W/cm2

传统高功率激光装置中(ns, ps),为避免功率密度过大造成元件损伤,通常激光光束是以逐级扩束,分段放大的方式来放大能量,扩束方式大多采用多级空间滤波器结构(凸透镜组+小孔滤波)来逐级扩束,由于带宽较窄(数nm),相对于其他像差,色差对终端焦斑的影响并不突出。

但对SGII 5PW(30fs)这类超短超强激光装置,带宽宽(>70nm),光束口径大(>290mm),如仍沿用多级空间滤波器结构扩束,由于透镜系统固有的材料色散,透镜组累积的色差(尤其是后级口径较大透镜的引入色差)会导致聚焦时脉冲宽度增加(达到百fs量级);同时也会导致不同波长的光聚焦在不同的焦平面,造成焦斑弥散。从而使得终端焦斑时空分布严重畸变,能量集中度下降,造成聚焦功率密度与信噪比指标恶化。

装置输出激光脉冲脉宽越短,输出功率越强,累计色差造成的影响也越大。解决色差问题也就成为了超短超强激光装置中的一个不可回避的关键环节。

消色差技术手段

对于由透镜组扩束而带来的色差问题,解决思路上有两个技术方向。

一种是从不产生(或减少)色差角度考虑,将引起色差的透射式透镜都替换为反射式或消色差透镜。

另一种是在沿用传统结构基础上,引入新的反向色差来补偿固有的系统累计色差,以达到整体消除系统色差的目标。

单元光学器件消色散方式

这种方式中不再采用传统的透镜组扩束结构,而以反射方式进行扩束,从而避开了由透镜扩束带来的色差困扰。如美国Texas PW升级装置(如图1所示)、日本 J-KAREN-P装置中都用到了此种消色差方式。


图1  Texas拍瓦升级装置设计图

但其代价是成本剧增,尤其对于后级大口径光束的扩束系统。原来的一块凸透镜,如换成离轴抛物面反射镜,则需要两到三块同样尺寸的镜片(离轴抛物面反射镜,真空窗口镜与导入反射镜),且加工难度与光路排布的要求也增加了额外的要求,同时对装置的稳定性与调试精度要求也有更高的要求。

光学装置色差预补偿技术

色差预补偿的方案,是利用凹透镜与凸透镜在色差特性上的互补特性,通过在前级引入预补偿色差以抵消装置凸透镜组的色差积累。该方案优势是成本较低。

文中总结了三种方式:基于折射反射的色差预补偿技术、基于装置消色差透镜的色差预补偿技术和基于衍射效应的色差预补偿技术。

基于折射反射的预补偿技术,常见的补偿结构有:负透镜球面反射镜组合、负透镜离轴抛物面镜组合、Öffner结构等。如Texas PW 激光装置在其钕玻璃多通放大器谐振腔内植入了由一块双面凹透镜和非球面反射镜组成的色差补偿单元,罗切斯特大学LLE实验室的MTW-OPAL激光装置采用Öffner结构色差补偿单元,补偿单元由两块大小相等凹透镜和一大一小两块球面反射镜组成;上海光机所QG-200TW装置采用双面凹透镜和离轴抛物面反射镜组合的方式进行色差补偿。

基于装置消色差透镜的色差预补偿技术,文中以上海光机所的SULF 10PW装置和绵阳CAEP 5PW装置举例(如图2所示),这两种装置中均采用了末级空间滤波器的入射透镜以替换为色差补偿透镜的方式来减小系统色差。


图2  CAEP 5PW装置示意图

基于衍射效应的色差预补偿技术,可实现在相对较小口径光束下实现色差补偿。如法国PETEL激光装置,采用衍射透镜和凹球面反射镜组合的方法校正系统色差;罗切斯特大学OMEGA EP激光装置,在其多通放大器内植入衍射透镜校正全系统色差。

现有的色差补偿单元的各种技术方案中,单元器件无色差的方式后级大口径光学元件造价高昂且调节困难,系统补偿色差现有方式都是被动工作方式,无主动调节功能,准确补偿较困难。

动态可调色差补偿单元

SGII 5PW 装置是采用以三级OPCPA放大的模式,扩束方式采用传统空间滤波器方式,光束终端扩束为290mm*290mm,如图3所示。基于SGII 5PW 装置,作者团队提出了一种可动态精确调节色差预补偿量的新装置,首次实现了可动态在线精细补偿装置累积色差的功能。

如图4所示,入射激光经过棱镜反射后,依次透射经过四分之一波片(P1)、正透镜(L1)、负透镜组(L2、L3),被反射镜(M1)反射后光束沿原路返回,逐次透射经过 L3-P1 后透射经过分光棱镜,垂直透射四分之一波片(P2),被平面反射镜(M2) 反射后沿原路返回,再次经 P2 透射后被分光棱镜反射。其中 L1 与 L2、L3、M1 组成共焦像传递系统。精密调节 Z1、Z2 的长度能够显著改善焦斑的能量集中度。

装置中的光学透镜组的材料和补偿透镜的材料统一为同种光学玻璃(K9),这样避免了由补偿材料不一致而出现高阶色差的问题;同时结合工程经验,补偿装置中引入实焦点与像传递的概念,使色差补偿单元输入和输出端具备像传递关系,一方面保障了光束传输中啁啾信号光的近场光束质量,另一方面由于实焦点的引入,通过调节焦斑与补偿凹透镜之间的距离,光束通过补偿凹透镜的有效光束口径成了一个可以动态调节的量,色差补偿量就变成了在一定范围内可动态调节的参量。

 
图3 SG-5PW激光装置示意图


  图4 色差动态补偿单元

实验中,配合自适应光学系统(AO)和终端焦斑的监测,实现了对装置累积色差的优化补偿,未补偿前焦斑半高宽为32 μm×18 μm;60%的能量集中在80um 范围内;补偿后焦斑半高宽缩小至4 μm×4 μm (艾里斑直径约为4 μm),60%的能量集中在17um范围内;优化后的焦斑半高全宽接近衍射极限,聚焦焦斑能量集中度得到了质的提高,经补偿后终端焦斑功率密度达到1020-21W/cm2

在随后的物理实验中质子能量得到倍数的提高,由改进前的8 MeV提高至16 MeV。经优化后,目前SGII 5 PW装置终端可达到指标如下:脉宽30fs,最短脉宽21fs; 正常输出功率1PW(30J,30fs),脉宽30fs下最高输出功率1.5PW(45J),焦斑功率密度1020-21W/cm2 ,信噪比优于1010。装置目前已完成多轮物理实验,运行状态稳定。


图5 色差补偿前后终端焦斑变化.(a)补偿前焦斑; (b)补偿后焦斑; (c)补偿前横纵向空间分布; (d)补偿后焦斑横纵向空间分布

未来的方向与挑战

由于SGII 5PW装置透镜组的材料和补偿单元材料一致,动态补偿单元对装置透镜组累积色差的补偿理论上是接近完全补偿的,且在比较大的范围内可以调节补偿量,这意味着对于更大光束口径和更宽的光谱范围,该方案也适用。

动态色差预补偿装置的后续方向,一是装置改进后虽然能量集中度已得到很大的改善,但仍然有继续改进完善的空间,在完善单元像差的优化控制后,预期能达到的能量集中度上限是将50%的能量集中在8 μm范围的焦斑内;另一个方向是由于该单元对于宽带装置的色差补偿具有通用性,并在较大范围内可调节,进一步将其开发成通用装置也是目标之一。

可预期的是,由于该装置具有经济,可动态大范围调节的特点,在类似超短超强激光装置以及未来更短的脉冲扩束装置中会得到更广泛的使用。

更多详细内容可查看原文:康俊,崔自若,朱坪,高奇,郭爱林,朱海东,杨庆伟,孙美智,谢兴龙,朱健强. 超短超强激光系统中消色差技术的研究与进展[J].激光与光电子学进展,2020,57(09):092201.